JP2015101791A - Hydrogen preparation method and apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen preparation method and hydrogen production apparatus as well as a corresponding computer program product, in which the hydrogen can be dried before compression.SOLUTION: Provided is a hydrogen preparation method in which a step of forming hydrogen that can be formed by involving external species in the suction side of an electrochemical compressor, and a step of transporting ions of hydrogen through the membrane of compressor by using the electrical potential applied between a first electrode on the suction side of compressor and a second electrode on the pressure side of compressor in order to enhance the hydrogen partial pressure in the pressure side of compressor and in order to hold the external species in the suction side of compressor, are carried out.

Description

本発明は、水素の調製方法及び水素の調製装置並びに相応のコンピュータプログラム製品に関する。   The present invention relates to a hydrogen preparation method, a hydrogen preparation apparatus and a corresponding computer program product.

水の電気分解によって水素が製造される場合、この水素にはプロセスで発生した水蒸気の形態の水成分が含まれている。水素を別の箇所で使用するために、水蒸気を水素から除去する調製が行われる。   When hydrogen is produced by electrolysis of water, this hydrogen contains a water component in the form of water vapor generated in the process. In order to use hydrogen elsewhere, a preparation is made to remove water vapor from the hydrogen.

DE3650465T2には、ガス乾燥のための透過性のポリマーメンブレインが開示されている。   DE 3650465T2 discloses a permeable polymer membrane for gas drying.

DE3650465T2DE3650465T2

こうした背景技術を踏まえ、本発明は、各独立請求項の上位概念に記載の、水素の調製方法及び水素の調製装置並びに相応のコンピュータプログラム製品のアプローチを提案する。有利な実施形態は各従属請求項及び以下の説明から得られる。   In light of such background art, the present invention proposes an approach of a hydrogen preparation method, a hydrogen preparation apparatus, and a corresponding computer program product described in the superordinate concept of each independent claim. Advantageous embodiments result from the respective dependent claims and the following description.

水素を技術的に蓄積するには、水素の圧縮が必要である。当該圧縮は圧縮器によって機械的に行うことができる。ただし、機械的圧縮器や圧力タンクでは、液相、固相、気相のいずれの形態の水も障害となりうる。このため、水素を機械的圧縮の前に乾燥することが要求される。   In order to accumulate hydrogen technically, compression of hydrogen is necessary. The compression can be performed mechanically by a compressor. However, in a mechanical compressor and a pressure tank, water in any form of liquid phase, solid phase, and gas phase can be an obstacle. This requires that the hydrogen be dried before mechanical compression.

上記課題は、電気化学的圧縮器の吸引側で、外部種を関与させることによって生成可能な水素を生成するステップと、圧縮器の圧力側の水素分圧を高め、かつ、圧縮器の吸引側に外部種を留めるために、圧縮器の吸引側の第1の電極と圧縮器の圧力側の第2の電極との間にかかる電気的ポテンシャルを用いて、圧縮器のメンブレインを通して水素のイオンを輸送するステップとを含む、水素の調製方法により解決される。   The above-described problems are the steps of generating hydrogen that can be generated by involving external species on the suction side of the electrochemical compressor, increasing the hydrogen partial pressure on the pressure side of the compressor, and the suction side of the compressor In order to retain the external species, hydrogen ions are passed through the compressor membrane using the electrical potential between the first electrode on the suction side of the compressor and the second electrode on the pressure side of the compressor. And the step of transporting the solution.

また、上記課題は、メンブレイン及び吸引側の第1の電極及び圧力側の第2の電極を含む電気化学的圧縮器と、外部種を関与させることによって圧縮器の吸引側に水素を生成可能な生成装置とを備え、圧縮器において、圧力側の水素分圧を高め、かつ、吸引側に外部種を留めるために、第1の電極と第2の電極との間に電気的ポテンシャルが形成されて、水素のイオンが圧縮器の吸引側から圧縮器の圧力側へ輸送される、水素の調製装置により解決される。   In addition, the above problem is that an electrochemical compressor including a membrane, a first electrode on the suction side, and a second electrode on the pressure side, and hydrogen can be generated on the suction side of the compressor by involving external species. In the compressor, an electric potential is formed between the first electrode and the second electrode in order to increase the hydrogen partial pressure on the pressure side and retain external species on the suction side. This is solved by a hydrogen preparation device in which hydrogen ions are transported from the suction side of the compressor to the pressure side of the compressor.

本発明の方法及び装置の実施形態により、本発明の基礎とする課題を迅速かつ有効に解決することができる。   The method and apparatus embodiments of the present invention can solve the problems underlying the present invention quickly and effectively.

本発明の実施例による水素調製装置のブロック図である。It is a block diagram of the hydrogen preparation apparatus by the Example of this invention. 電気分解システムのガス乾燥ユニットと圧縮ユニットとを組み合わせた電気化学的圧縮器を用いた、本発明の実施例による水素調製方法の模式図である。It is a schematic diagram of the hydrogen preparation method by the Example of this invention using the electrochemical compressor which combined the gas drying unit and compression unit of the electrolysis system. 本発明の実施例による水素調製方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a method for preparing hydrogen according to an embodiment of the present invention.

本発明では、水素は電気化学的に圧縮される。この場合、水素はイオンの形態でメンブレイン(膜)を通して輸送される。このために、水素は、メンブレインの吸引側で触媒によってイオンと電子とに分解される。電子は電気ポテンシャルによって引き離される。イオンはメンブレインを通って漂遊する。電子は電気ポテンシャルによってメンブレインの圧力側で再び生じ、触媒作用を介してこの電子とイオンとが再結合して水素を発生させる。形成された電気ポテンシャルに基づいて、吸引側のイオンと圧力側のイオンとの平衡が圧力側の方へずれる。正味で見ると、反対に、電気ポテンシャルによって多くのイオンが吸引側から圧力側へ漂遊する。   In the present invention, hydrogen is electrochemically compressed. In this case, hydrogen is transported through the membrane (membrane) in the form of ions. For this purpose, hydrogen is decomposed into ions and electrons by the catalyst on the suction side of the membrane. Electrons are pulled apart by the electrical potential. Ions stray through the membrane. Electrons are generated again on the pressure side of the membrane due to the electric potential, and these electrons and ions are recombined through catalytic action to generate hydrogen. Based on the formed electric potential, the equilibrium between the ions on the suction side and the ions on the pressure side shifts toward the pressure side. On the other hand, on the other hand, many ions stray from the suction side to the pressure side due to the electric potential.

メンブレインを通して水素イオンのみが輸送されるので、水蒸気は吸引側に留まる。当該水蒸気は、メンブレインで凝縮し、これを湿らせてその機能を改善する。   Since only hydrogen ions are transported through the membrane, water vapor remains on the suction side. The water vapor condenses on the membrane and wets it to improve its function.

電気化学的圧縮器は高効率を有し、その効率は抵抗損失のみによって低減される。水素は、圧縮の際に殆ど加熱されない。電気化学的圧縮器は可動要素を有さないので、摩擦は殆ど発生しない。同様に、電気化学的圧縮器は静穏であり、振動を生じない。   Electrochemical compressors have high efficiency, which is reduced only by resistance losses. Hydrogen is hardly heated during compression. Since the electrochemical compressor has no moving elements, little friction is generated. Similarly, the electrochemical compressor is quiet and does not vibrate.

調製とは特性を変化させることであると理解されたい。この場合、特性は設定された要求に従って変化される。特に、水素の圧力及び純度が適合化される。なお、外部種は特には水である。水は、気相すなわち蒸気状であってよい。外部種は、水素とは異なる別の気体であってもよい。吸引側とは装置が吸引を行う側であり、圧力側とは装置が排出を行う側である。吸引側の電極と圧力側の電極とはメンブレイン上に直接に配置することができる。ただし、メンブレインは電気的に絶縁されていなければならない。メンブレインは触媒作用を有するように構成される。なお、メンブレインは水素イオンに対して透過性を有さなければならない。   It should be understood that preparation means changing properties. In this case, the characteristics are changed according to the set requirements. In particular, the pressure and purity of hydrogen are adapted. The external species is particularly water. The water may be in the gas phase or vapor. The external species may be another gas different from hydrogen. The suction side is the side where the device performs suction, and the pressure side is the side where the device discharges. The suction side electrode and the pressure side electrode can be arranged directly on the membrane. However, the membrane must be electrically isolated. The membrane is configured to have a catalytic action. The membrane must be permeable to hydrogen ions.

水素は、電気エネルギを用いて生成される。この場合、水が水素と酸素とに分解される。外部種は特には水蒸気である。1つのユニットにおける直接の結合により、水素を狭い空間で製造及び圧縮できる。全体として、電気分解と調製とが1つのシステムに統合されるため、装置の複雑性が大幅に低減される。   Hydrogen is generated using electrical energy. In this case, water is decomposed into hydrogen and oxygen. The external species is in particular water vapor. Direct bonding in one unit allows hydrogen to be produced and compressed in a tight space. Overall, the complexity of the device is greatly reduced since electrolysis and preparation are integrated into one system.

水素は、設定された圧力で圧力側へ輸送される。これに代えてもしくはこれに加えて、設定された温度で、乃至、設定された純度で、水素を圧力側へ輸送してもよい。自動車分野では、例えば、30bar以上800bar以下の範囲の圧力と室温とが考えられる。水素は有利には5.0H(99.999%のHに相当する)の純度を有する必要がある。電気的ポテンシャルにより吸引側の圧力を設定できる。水素は、メンブレインを通って輸送された後、所望の特性を達成するために、冷却又は加熱される。こうした調製により、水素は設定基準を満足することができる。 Hydrogen is transported to the pressure side at a set pressure. Alternatively or in addition, hydrogen may be transported to the pressure side at a set temperature or a set purity. In the automotive field, for example, pressures in the range of 30 bar to 800 bar and room temperature are conceivable. The hydrogen should advantageously have a purity of 5.0 H 2 (corresponding to 99.999% H 2 ). The suction side pressure can be set by the electric potential. After the hydrogen is transported through the membrane, it is cooled or heated to achieve the desired properties. With such a preparation, hydrogen can meet the set criteria.

輸送ステップでは、所定の直流電圧を電極へ印加することができる。当該直流電圧は平滑化可能である。当該直流電圧によって水素を均等に輸送できる。   In the transport step, a predetermined DC voltage can be applied to the electrodes. The DC voltage can be smoothed. Hydrogen can be transported evenly by the DC voltage.

イオンはメンブレインを通して擬似等温的に輸送される。この場合、イオンは殆ど加熱されずに輸送される。なお、加熱なしでも、当該輸送は、高効率で行うことができる。   Ions are transported quasi-isothermally through the membrane. In this case, the ions are transported with little heating. Note that the transportation can be performed with high efficiency even without heating.

本発明の方法はさらに、水素を圧力側で圧力蓄積器に蓄積するステップを含む。圧力蓄積器又は圧力タンク内には多量の水素を蓄積できる。   The method of the present invention further includes accumulating hydrogen in the pressure accumulator on the pressure side. A large amount of hydrogen can be accumulated in the pressure accumulator or pressure tank.

生成装置は、電気エネルギを用いて水を水素と酸素とに分解し、特に水蒸気である外部種を用いるように構成された電気分解器として構成できる。当該生成装置は、電気的に見て、また、水素流の技術で見て、電気化学的圧縮器に直列接続される。発生する水素の量は電気分解に用いられるエネルギ量に比例する。メンブレインを通して輸送される水素の量は、輸送に用いられるエネルギ量に比例する。したがって、電気分解は電気的に見て輸送に密に関連している。   The generator can be configured as an electrolyzer configured to decompose water into hydrogen and oxygen using electrical energy, and in particular to use an external species that is water vapor. The generator is connected in series with an electrochemical compressor in electrical terms and in hydrogen flow technology. The amount of hydrogen generated is proportional to the amount of energy used for electrolysis. The amount of hydrogen transported through the membrane is proportional to the amount of energy used for transport. Thus, electrolysis is closely related to transportation from an electrical perspective.

圧縮器は、吸引側の別の第1の電極と圧力側の別の第2の電極とを有する少なくとも1つの別のメンブレインを含むことができる。当該別のメンブレインと上記メンブレインとは、相前後するように、かつ、吸引側から圧力側へ向かって水素分圧を段階的に高めるように配置される。直列に接続された複数のメンブレインにより、水素をより高い圧力で生成できる。同様に、メンブレインの吸引側と圧力側との間に低減された圧力勾配を設定することもできる。後者の場合、個々のメンブレインを薄く構成できるうえ、水素の輸送をいっそうダイナミックに行うことができる。   The compressor may include at least one other membrane having another first electrode on the suction side and another second electrode on the pressure side. The other membrane and the membrane are arranged so as to follow each other and to gradually increase the hydrogen partial pressure from the suction side to the pressure side. Multiple membranes connected in series allow hydrogen to be generated at higher pressures. Similarly, a reduced pressure gradient can be set between the suction side and the pressure side of the membrane. In the latter case, individual membranes can be made thin, and hydrogen can be transported more dynamically.

メンブレインはポリマー電解質メンブレインとして構成できる。ポリマー電解質メンブレインは特に均等な厚さで製造可能である。   The membrane can be configured as a polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane can be produced with a particularly uniform thickness.

メンブレインは、外部種を排出するための排出部を有することができる。当該排出部により、凝縮した水がメンブレインから排出される。これにより、メンブレインの活性面積を大きいまま維持できる。   The membrane can have a discharge for discharging external species. By the said discharge part, the condensed water is discharged | emitted from a membrane. Thereby, the active area of a membrane can be maintained large.

本発明の装置はさらに、水素を圧力側に蓄積するための圧力蓄積器を備える。当該圧力蓄積器により、本発明の装置を完全システムとして実現できる。   The apparatus of the present invention further comprises a pressure accumulator for accumulating hydrogen on the pressure side. With the pressure accumulator, the device of the present invention can be realized as a complete system.

有利には、機械読み出し可能な担体上に記憶されたプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品を構成できる。機械読み出し可能な担体は、例えば、半導体メモリ又はハードディスクメモリ又は光学メモリであってよい。プログラムコードは、プログラム製品がコンピュータ又は所定の装置で実行される場合に、上述した実施例による方法を実行する。   Advantageously, a computer program product can be constructed that includes program code stored on a machine-readable carrier. The machine readable carrier may be, for example, a semiconductor memory or a hard disk memory or an optical memory. The program code executes the method according to the above-described embodiments when the program product is executed on a computer or a predetermined device.

本発明のアプローチを以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。   The approach of the present invention will be described in detail below with reference to the illustrated embodiment.

本発明の有利な実施例を図示し、以下に説明する。図中、同じ要素又は同様の機能を有する要素には同じ参照番号を付し、繰り返しての説明は省略する。   An advantageous embodiment of the invention is illustrated and described below. In the drawings, the same elements or elements having similar functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description is omitted.

電気分解システムは、通常、水生成装置と(直流)電圧源と電気分解層スタックとガス洗浄部及び/又はガス乾燥部と圧縮器と(高圧)ガス蓄積器とから成っている。   An electrolysis system usually consists of a water generator, a (direct current) voltage source, an electrolysis layer stack, a gas scrubber and / or a gas dryer, a compressor and a (high pressure) gas accumulator.

ガス乾燥のために、凝縮プロセス(ガスチラー)と、ゼオライトをベースとした吸着フィルタ又は圧力変動吸着部PSA(プレッシャスウィングアドソープション)とを利用可能である。この場合、1barでの露点は−60℃であるので、純粋な凝縮プロセスが生じれば、30barまでの小さな圧力では必要なガス品質が得られない。吸着フィルタは、生産量の小さいシステムでしか有意でなく、また、吸着剤の回生のために交換を要するので、システムの密度を損なっている。逆に、PSAは大規模なシステムでしか有意でなく、しかも、リアクタ槽の回生にプロセスチャンバの洗浄を要するため、製造されたガスの10%から30%までの大きな損失を生じる。   For gas drying, a condensation process (gas chiller) and a zeolite-based adsorption filter or pressure fluctuation adsorption part PSA (pressure swing adsorption) can be used. In this case, since the dew point at 1 bar is −60 ° C., if a pure condensation process occurs, the required gas quality cannot be obtained at pressures as low as 30 bar. The adsorption filter is significant only in a system with a small production volume, and also needs to be replaced for the regeneration of the adsorbent, thereby reducing the density of the system. Conversely, PSA is only significant in large scale systems, and requires reactor chamber regeneration to clean the process chamber, resulting in a large loss of 10% to 30% of the gas produced.

圧縮には機械的圧縮器を使用できる。この場合、潤滑油による水素の汚染を回避するために、潤滑化されていない圧縮器が使用されるが、これは耐用時間及び/又はメンテナンス間隔が短い。同様に、長い寿命を有するイオン圧縮器も使用可能である。ただし、イオン圧縮器はきわめて大きなスペースを要する。   A mechanical compressor can be used for the compression. In this case, an unlubricated compressor is used in order to avoid contamination of the hydrogen by the lubricating oil, but this has a short service life and / or maintenance intervals. Similarly, an ion compressor having a long lifetime can be used. However, the ion compressor requires a very large space.

ガス中の水の飽和含有量は、ガス温度とガス圧力とに直接に依存する。圧力が高まると、設定された水蒸気濃度に対する露点も上昇する。燃料電池分野において通常要求される水素品質である99.999%Hでの露点は、800barで約4℃である。このことは、800bar以上までのガス圧縮と場合により引き続いて行われるガス冷却とに際して、要求されるガス品質が達成されることを意味する。ここで、本発明で提案している電気化学的圧縮器は、水素中の残留湿分が圧縮器を破壊せず、反対に、メンブレインのプロトン伝導率を維持乃至増大するのに寄与するという利点を有する。 The saturated content of water in the gas depends directly on the gas temperature and the gas pressure. As the pressure increases, the dew point for the set water vapor concentration also increases. The dew point at 99.999% H 2 , the hydrogen quality normally required in the fuel cell field, is about 4 ° C. at 800 bar. This means that the required gas quality is achieved upon gas compression up to 800 bar and above and possibly subsequent gas cooling. Here, in the electrochemical compressor proposed in the present invention, residual moisture in hydrogen does not destroy the compressor, and conversely contributes to maintaining or increasing the proton conductivity of the membrane. Have advantages.

圧力上昇によって水素中の水蒸気を低減する作用は、本発明で提案している電気化学的圧縮器において利用されている。これは、要求されている圧力まで1以上の段階でガスを圧縮し、付加的なガス乾燥なしで直接に要求された純度を達成することにより行われる。   The action of reducing water vapor in hydrogen by increasing the pressure is utilized in the electrochemical compressor proposed in the present invention. This is done by compressing the gas in one or more stages to the required pressure to achieve the required purity directly without additional gas drying.

次表に、5.0Hの水から氷への露点を示す。
abs@0.01%HO T_sat
[bar] [bar] [℃]
0.00001 1 −60
0.0001 10 −42
0.001 100 −20
0.008 800 +4
0.01 1000 +7
The following table shows the dew point from 5.0 H 2 water to ice.
P i P abs @ 0.01% H 2 O T_sat
[Bar] [bar] [° C]
0.00001 1-60
0.0001 10 -42
0.001 100 -20
0.008 800 +4
0.01 1000 +7

図1には、本発明の実施例による水素102の調製装置100のブロック図が示されている。調製装置100は、電気化学的圧縮器104と生成装置106とを含む。電気化学的圧縮器104は、メンブレイン108と吸引側の第1の電極110と圧力側の第2の電極112とを有する。第1の電極110と第2の電極112との間に電気ポテンシャルが形成され、水素102のイオン114が圧縮器104の吸引側116から圧力側118へ輸送されることにより、圧力側118での水素分圧が高められ、外部種120が吸引側116に残る。生成装置106は、水素102を吸引側116で生成するように構成されている。水素102は外部種120の関与によって生成される。   FIG. 1 shows a block diagram of an apparatus 100 for preparing hydrogen 102 according to an embodiment of the present invention. The preparation device 100 includes an electrochemical compressor 104 and a generation device 106. The electrochemical compressor 104 includes a membrane 108, a first electrode 110 on the suction side, and a second electrode 112 on the pressure side. An electrical potential is formed between the first electrode 110 and the second electrode 112 and the ions 114 of the hydrogen 102 are transported from the suction side 116 of the compressor 104 to the pressure side 118, thereby causing a pressure on the pressure side 118. The hydrogen partial pressure is increased and the external species 120 remains on the suction side 116. The generator 106 is configured to generate the hydrogen 102 on the suction side 116. Hydrogen 102 is generated by the participation of external species 120.

本発明の有利な構成では、圧縮器104は、吸引側の別の第1の電極と圧力側の別の第2の電極とを有する少なくとも1つの別のメンブレインを含む。当該別のメンブレインと上記メンブレインとは、相前後するように、かつ、水素分圧が吸引側から圧力側へ向かって段階的に高められるように配置される。各メンブレイン108間には、1つのメンブレインを通り抜けて次のメンブレインへ輸送される水素に対するチャンバが存在している。   In an advantageous configuration of the invention, the compressor 104 comprises at least one further membrane having another first electrode on the suction side and another second electrode on the pressure side. The other membrane and the membrane are arranged so that they are in phase with each other and the hydrogen partial pressure is gradually increased from the suction side toward the pressure side. Between each membrane 108 is a chamber for hydrogen that passes through one membrane and is transported to the next.

有利な構成では、各メンブレイン108はポリマー電解質メンブレイン108として構成される。   In an advantageous configuration, each membrane 108 is configured as a polymer electrolyte membrane 108.

有利な構成では、各メンブレイン108は外部種を排出するための排出部を有する。当該排出部は、吸引側に配置され、調製装置100から外部種120を排出するように構成される。   In an advantageous configuration, each membrane 108 has a discharge for discharging external species. The discharge unit is arranged on the suction side and configured to discharge the external species 120 from the preparation apparatus 100.

有利な構成では、電気化学的圧縮器104には、前置接続されるガス乾燥部なしで、電気分解層スタック106からの水素102が直接に供給される。電気化学的圧縮器104の出力側では、水素102が、選択された圧力段階に応じて、後置接続されるシステムの要求、例えばガス蓄積器もしくは燃料電池セルなどの要求を直接に満足する。要求されるガスの乾燥度は付加的な適度のガス冷却によって改善される。   In an advantageous configuration, the electrochemical compressor 104 is directly supplied with hydrogen 102 from the electrolysis layer stack 106 without a pre-connected gas drying section. On the output side of the electrochemical compressor 104, the hydrogen 102 directly meets the requirements of the downstream system, such as a gas accumulator or fuel cell, depending on the pressure stage selected. The required gas dryness is improved by additional moderate gas cooling.

有利な実施例では、電気分解層スタック106は直接に差圧モードで作動される。これにより、H製造と乾燥と圧縮とが1つの要素において行われる。 In an advantageous embodiment, the electrolysis layer stack 106 is operated directly in a differential pressure mode. Thereby, H 2 production, drying and compression are performed in one element.

電気化学セル104の各メンブレイン108は付加的な水供給を必要としない。なぜなら、水供給は水素102の残留湿分120によって保証されるからである。   Each membrane 108 of the electrochemical cell 104 does not require an additional water supply. This is because the water supply is guaranteed by the residual moisture 120 of the hydrogen 102.

有利な構成では、排水部をメンブレイン108に統合することができる。   In an advantageous configuration, the drainage can be integrated into the membrane 108.

有利な構成では、目標圧は1段階で達成される。   In an advantageous configuration, the target pressure is achieved in one stage.

別の有利な構成では、目標圧は、複数の圧力段階によって、つまり、複数の電気化学セル104を直列に接続することによって達成される。この場合、技術的には、1barから1000barまでの水素102の圧縮が可能である。   In another advantageous configuration, the target pressure is achieved by a plurality of pressure stages, i.e. by connecting a plurality of electrochemical cells 104 in series. In this case, technically, compression of hydrogen 102 from 1 bar to 1000 bar is possible.

図2には、本発明の実施例による水素H(102)の調製方法の模式図が示されている。ここでの方法は、電気分解システム200において、ガス乾燥ユニットと圧縮ユニットとを組み合わせた装置としての電気化学的圧縮器104を用いて行われる。ここでは、生成装置106は、電気エネルギ202を利用して水HO(204)を水素H(102)と酸素O(206)とに分解するように構成された電気分解器又は電気分解層スタック106である。ここでは、水素H(102)には、外部種120として、プロセスで発生する水蒸気HOが添加される。圧縮及び洗浄された水素H(102)は、圧力側で圧力蓄積器208に蓄積される。なお、電気エネルギ202はここでは直流電圧として形成される。 FIG. 2 shows a schematic diagram of a method for preparing hydrogen H 2 (102) according to an example of the present invention. The method here is performed in the electrolysis system 200 using an electrochemical compressor 104 as an apparatus combining a gas drying unit and a compression unit. Here, the generator 106 is an electrolyzer or electric device configured to utilize the electrical energy 202 to decompose water H 2 O (204) into hydrogen H 2 (102) and oxygen O 2 (206). This is a decomposition layer stack 106. Here, the hydrogen H 2 O generated in the process is added to the hydrogen H 2 (102) as the external species 120. The compressed and washed hydrogen H 2 (102) is accumulated in the pressure accumulator 208 on the pressure side. Here, the electrical energy 202 is formed as a DC voltage.

本発明のアプローチでは、機械的なシステムで必須であった圧縮器に前置接続される別個のガス乾燥部が省略される。このため、システムの複雑性を大幅に低減できる。これにより、本発明の電気分解システム200では、機械的なシステムに比べて、構造スペース及びノイズレベルの双方が低減され、メンテナンス間隔が増大される。   The approach of the present invention eliminates a separate gas drying section that is pre-connected to the compressor that was essential in the mechanical system. For this reason, the complexity of the system can be greatly reduced. Thereby, in the electrolysis system 200 of the present invention, both the structural space and the noise level are reduced and the maintenance interval is increased as compared with the mechanical system.

言い換えれば、図2には、水素102の圧縮及び乾燥を行う電気化学セル104を備えた電気分解システム200が示されている。   In other words, FIG. 2 shows an electrolysis system 200 with an electrochemical cell 104 that compresses and drys hydrogen 102.

水素用の電気分解層スタック106又は電気分解システム200は、水204及びガス流202から水素を製造し、これを例えば燃料電池自動車又はパワーツーガス分野のための水素タンク設備で適用する。ここで、燃料電池自動車は、製造される水素102の純度すなわち水素含量について特に高い要求を課している。通常、純度5.0H(99.999%H)が要求される。その理由は、1つは燃料電池の触媒の汚染敏感性、もう1つは低温下及び/又は高圧下での水120の凝縮である。これらは、ガス供給部における圧力変動又は管路の凍結を生じさせることがある。 The electrolysis layer stack 106 or electrolysis system 200 for hydrogen produces hydrogen from the water 204 and the gas stream 202, which is applied, for example, in a hydrogen tank facility for the fuel cell vehicle or power to gas sector. Here, fuel cell vehicles place particularly high demands on the purity of the hydrogen 102 produced, ie the hydrogen content. Usually, a purity of 5.0H 2 (99.999% H 2 ) is required. One reason is the contamination sensitivity of the fuel cell catalyst, and the other is the condensation of the water 120 under low temperature and / or high pressure. These can cause pressure fluctuations in the gas supply or freezing of the pipelines.

電気分解によって製造される水素102のガス乾燥は必須である。なぜなら、水素102が電気分解層スタック106の出力側でプロセスによって発生する所定の湿分120を有するためである。こうした湿分120は、機械的圧縮器での圧縮中に水撃を生じさせ、機械的圧縮器を破損させるおそれがある。   Gas drying of the hydrogen 102 produced by electrolysis is essential. This is because the hydrogen 102 has a predetermined moisture 120 generated by the process on the output side of the electrolysis layer stack 106. Such moisture 120 may cause water hammer during compression with the mechanical compressor and damage the mechanical compressor.

本発明のアプローチでは、水素102の圧縮は、電気化学的圧縮器としての電気化学セル104において行われる。機械的圧縮器とは異なり、電気化学的圧縮器104は、水素102の圧縮と同時に湿分の管理も行うため、付加的なガス乾燥部を前置接続する必要がなくなる。したがって、システムの複雑性が大幅に低減される。   In the approach of the present invention, the compression of hydrogen 102 is performed in an electrochemical cell 104 as an electrochemical compressor. Unlike the mechanical compressor, the electrochemical compressor 104 performs moisture management at the same time as the compression of the hydrogen 102, so that it is not necessary to connect an additional gas drying section in advance. Thus, the complexity of the system is greatly reduced.

本発明のアプローチの主たる利点は、電気化学的圧縮器104を使用することにより、ガス乾燥のための付加的な要素が不要となって、システムの複雑性が低減されるということである。これにより、特に、システム200全体のスペースを節約でき、システムの効率の改善も達成される。   The main advantage of the approach of the present invention is that the use of electrochemical compressor 104 eliminates the need for additional elements for gas drying and reduces system complexity. This particularly saves space for the entire system 200 and also improves system efficiency.

可動要素なしでガス102を圧縮できるため、システム200の動作のノイズは低減され、また、メンテナンス回数も少なくて済む。   Since the gas 102 can be compressed without moving elements, the noise of operation of the system 200 is reduced and the number of maintenance is reduced.

水素102の圧縮には、電気化学的圧縮器104、例えばポリマー電解質メンブレインPEMをベースとした圧縮器が用いられる。直流電圧204を電気化学セル104の電極へ印加することにより、メンブレインの一方側から他方側へのH流が生じ、圧力上昇が生じる。この場合、達成される圧力上昇は、印加される電圧に依存して定まる。
U=RT/2FIn(p/p)+ir+η
ここで、Uは印加電圧であり、Rはガス定数であり、Tは温度であり、Fはファラデー定数であり、pは第1のガス空間での圧力であり、pは第2のガス空間での圧力であり、iは電流密度であり、rは電気化学セル104の抵抗であり、ηは過電圧である。
For the compression of the hydrogen 102, an electrochemical compressor 104, for example a compressor based on a polymer electrolyte membrane PEM, is used. By applying a DC voltage 204 to the electrode of the electrochemical cell 104, an H + flow from one side of the membrane to the other occurs, causing a pressure increase. In this case, the pressure increase achieved depends on the applied voltage.
U = RT / 2FIn (p 2 / p 1 ) + ir + η
Where U is the applied voltage, R is the gas constant, T is the temperature, F is the Faraday constant, p 1 is the pressure in the first gas space, and p 2 is the second It is the pressure in the gas space, i is the current density, r is the resistance of the electrochemical cell 104, and η is the overvoltage.

この場合、電気化学的な圧縮の効率は、ガス102の圧縮が擬似等温的に行われるため、特に機械的圧縮器での断熱圧縮に比べて、きわめて良好である。   In this case, the efficiency of electrochemical compression is very good, especially compared to adiabatic compression with a mechanical compressor, since the compression of the gas 102 is performed quasi-isothermally.

図3には、本発明の実施例による水素の調製方法300のフローチャートが示されている。調製方法300は、生成ステップ302と輸送ステップ304とを含む。生成ステップ302では、水素が電気化学的圧縮器の吸引側で生成される。ここでは、純粋形態の水素が外部種の関与によって生成される。輸送ステップ304では、水素イオンが、電気ポテンシャルにより、圧縮器のメンブレインを通して輸送される。当該電気ポテンシャルは、圧縮器の吸引側の第1の電極と圧力側の第2の電極との間に形成される。輸送により、圧縮器の圧力側の水素分圧が高められる。外部種は圧縮器の吸引側に留められる。   FIG. 3 shows a flow chart of a method 300 for preparing hydrogen according to an embodiment of the present invention. The preparation method 300 includes a generation step 302 and a transport step 304. In the generation step 302, hydrogen is generated on the suction side of the electrochemical compressor. Here, the pure form of hydrogen is produced with the participation of external species. In the transport step 304, hydrogen ions are transported through the compressor membrane by an electrical potential. The electric potential is formed between the first electrode on the suction side of the compressor and the second electrode on the pressure side. Transport increases the hydrogen partial pressure on the pressure side of the compressor. External species remain on the suction side of the compressor.

有利な構成では、生成ステップ302において、水素が電気エネルギを用いて生成される。このために、水が水素と酸素とへ分解される。この場合、外部種は特には水蒸気である。ここで、水素中の水蒸気含量は吸引側の水素のガス圧と平衡している。   In an advantageous configuration, in the generation step 302, hydrogen is generated using electrical energy. For this, water is broken down into hydrogen and oxygen. In this case, the external species is in particular water vapor. Here, the water vapor content in hydrogen is in equilibrium with the gas pressure of hydrogen on the suction side.

有利な構成では、輸送ステップ304において、水素が設定された圧力及び/又は設定された温度及び/又は設定された純度で圧力側へ輸送される。電気ポテンシャルによって、どれだけの圧力が圧力側に生じるかを設定できる。温度を制御するために、加熱エレメント及び/又は冷却エレメントを圧力側に配置してもよい。   In an advantageous configuration, in the transport step 304, hydrogen is transported to the pressure side at a set pressure and / or set temperature and / or set purity. It is possible to set how much pressure is generated on the pressure side according to the electric potential. In order to control the temperature, heating elements and / or cooling elements may be arranged on the pressure side.

有利な構成では、輸送ステップ304において、直流電圧が各電極に印加される。   In an advantageous configuration, a DC voltage is applied to each electrode in the transport step 304.

有利な構成では、輸送ステップ304において、イオンはメンブレインを通して擬似等温的に輸送される。電気ポテンシャルにより、吸引側から圧力側までの間で温度変化が殆ど生じない。これにより、機械的な圧縮で望ましくない温度変化のみに関連するエネルギ消費を省略できる。   In an advantageous configuration, in the transport step 304, ions are transported quasi-isothermally through the membrane. Almost no temperature change occurs between the suction side and the pressure side due to the electric potential. This eliminates energy consumption associated only with undesired temperature changes in mechanical compression.

有利な構成では、調製方法300はさらに蓄積ステップを含む。蓄積ステップでは、水素が圧力側で圧力蓄積器に蓄積される。   In an advantageous configuration, the preparation method 300 further comprises an accumulation step. In the accumulation step, hydrogen is accumulated in the pressure accumulator on the pressure side.

図示の実施例は、例示として選択されているのみである。種々の実施例は、それぞれ完全に、又は、個々の特徴に関連して、任意に組み合わせることができる。また、或る実施例を別の実施例の特徴によって補完することもできる。   The illustrated embodiment is only selected as an example. The various embodiments can be arbitrarily combined, either completely or in connection with individual features. One embodiment can also be supplemented by the features of another embodiment.

なお、本発明の方法の各ステップは、反復して実行することもできるし、上述したのとは別の順序で実行することもできる。   It should be noted that the steps of the method of the present invention can be performed iteratively or in an order different from that described above.

実施例の説明において、第1の特徴と第2の特徴とが「及び/又は」で接続されている場合、これは、当該実施例が、第1の特徴のみ、又は、第2の特徴のみ、又は、第1の特徴及び第2の特徴の双方のいずれを含んでいてもよいことを意味する。   In the description of the embodiment, when the first feature and the second feature are connected by “and / or”, this means that the embodiment has only the first feature or only the second feature. Or means that both the first feature and the second feature may be included.

100 水素調製装置、 102 水素、 104 電気化学的圧縮器(電気化学セル)、 106 生成装置(電気分解層スタック)、 108 メンブレイン、 110,112 電極、 114 イオン、 116 吸引側、 118 圧力側、 120 外部種、 200 電気分解システム、 202 電気エネルギ、 204 水、 206 酸素、 208 圧力蓄積器、 300 水素調製方法、 302 生成ステップ、 304 輸送ステップ   100 hydrogen preparation device, 102 hydrogen, 104 electrochemical compressor (electrochemical cell), 106 generator (electrolysis layer stack), 108 membrane, 110, 112 electrode, 114 ion, 116 suction side, 118 pressure side, 120 external species, 200 electrolysis system, 202 electrical energy, 204 water, 206 oxygen, 208 pressure accumulator, 300 hydrogen preparation method, 302 generation step, 304 transport step

Claims (12)

水素(102)の調製方法(300)であって、
該方法(300)は、
電気化学的圧縮器(104)の吸引側(116)で、外部種(120)を関与させることによって生成可能な水素(102)を生成するステップ(302)と、
前記圧縮器(104)の圧力側(118)の水素分圧を高め、かつ、前記圧縮器(104)の吸引側(116)に前記外部種(120)を留めるために、前記圧縮器(104)の前記吸引側(116)の第1の電極(110)と前記圧縮器(104)の前記圧力側(118)の第2の電極(112)との間にかかる電気的ポテンシャルを用いて、前記圧縮器(104)のメンブレイン(108)を通して前記水素(102)のイオン(114)を輸送するステップ(304)と
を含む
ことを特徴とする方法(300)。
A method (300) for preparing hydrogen (102) comprising:
The method (300) comprises:
Producing (302) hydrogen (102) that can be produced on the suction side (116) of the electrochemical compressor (104) by involving external species (120);
In order to increase the hydrogen partial pressure on the pressure side (118) of the compressor (104) and to retain the external species (120) on the suction side (116) of the compressor (104), the compressor (104 ) Using the electrical potential between the first electrode (110) on the suction side (116) and the second electrode (112) on the pressure side (118) of the compressor (104), Transporting the hydrogen (102) ions (114) through the membrane (108) of the compressor (104) (304).
前記生成するステップ(302)において、電気エネルギを用いて水(204)を水素(102)と酸素(206)とに分解し、前記外部種(120)を特に水蒸気(120)とすることによって、前記水素(102)を生成する、
請求項1記載の方法(300)。
In the generating step (302), by using electric energy to decompose water (204) into hydrogen (102) and oxygen (206), the external species (120) is in particular water vapor (120), Producing the hydrogen (102),
The method (300) of claim 1.
前記輸送するステップ(304)において、設定された圧力及び/又は設定された温度及び/又は設定された純度で、前記水素(102)を前記圧力側(118)へ輸送する、
請求項1又は2記載の方法(300)。
In the transporting step (304), transporting the hydrogen (102) to the pressure side (118) at a set pressure and / or set temperature and / or set purity;
The method (300) of claim 1 or 2.
前記輸送するステップ(304)において、所定の直流電圧(202)を前記電極(110,112)へ印加する、
請求項1から3までのいずれか1項記載の方法(300)
In the transporting step (304), a predetermined DC voltage (202) is applied to the electrodes (110, 112).
Method (300) according to any one of claims 1 to 3
前記輸送するステップ(304)において、前記メンブレイン(108)を通して前記イオン(114)を擬似等温的に輸送する、
請求項1から4までのいずれか1項記載の方法(300)。
In the transporting step (304), the ions (114) are transported quasi-isothermally through the membrane (108).
The method (300) according to any one of the preceding claims.
さらに、前記水素(102)を前記圧力側(118)で圧力蓄積器(208)に蓄積するステップを含む、
請求項1から5までのいずれか1項記載の方法(300)。
Further comprising accumulating the hydrogen (102) in the pressure accumulator (208) on the pressure side (118);
The method (300) of any one of claims 1-5.
水素(102)の調製装置(100)であって、
該調製装置(100)は、メンブレイン(108)及び吸引側(116)の第1の電極(110)及び圧力側(118)の第2の電極(112)を含む電気化学的圧縮器(104)と、外部種(120)を関与させることによって前記圧縮器の前記吸引側(116)に水素(102)を生成可能な生成装置(106)とを備え、
前記圧縮器(104)において、前記圧力側(118)の水素分圧を高め、かつ、前記吸引側(116)に前記外部種(120)を留めるために、前記第1の電極(110)と前記第2の電極(112)との間に電気的ポテンシャルが形成されて、前記水素(102)のイオン(114)が前記圧縮器(104)の前記吸引側(116)から前記圧縮器(104)の前記圧力側(118)へ輸送される
ことを特徴とする装置(100)。
A hydrogen (102) preparation device (100) comprising:
The preparation device (100) comprises an electrochemical compressor (104) comprising a membrane (108) and a first electrode (110) on the suction side (116) and a second electrode (112) on the pressure side (118). And a generator (106) capable of generating hydrogen (102) on the suction side (116) of the compressor by involving external species (120),
In the compressor (104), to increase the hydrogen partial pressure on the pressure side (118) and to retain the external species (120) on the suction side (116), the first electrode (110) An electrical potential is formed between the second electrode (112) and ions (114) of the hydrogen (102) from the suction side (116) of the compressor (104) to the compressor (104). ) To the pressure side (118) of the device (100).
前記生成装置(106)は、電気エネルギ(202)を用いて水(204)を水素(102)と酸素(206)とに分解し、前記外部種(120)を特に水蒸気(120)とするように構成された電気分解器(106)である、
請求項7記載の装置(100)。
The generator (106) uses electrical energy (202) to decompose water (204) into hydrogen (102) and oxygen (206) so that the external species (120) is in particular water vapor (120). An electrolyzer (106) configured to:
The apparatus (100) of claim 7.
前記圧縮器(104)は、吸引側の別の第1の電極(110)と圧力側の別の第2の電極(112)とを有する少なくとも1つの別のメンブレイン(108)を含み、
当該別のメンブレイン(108)と前記メンブレイン(108)とは、相前後して配置され、かつ、前記吸引側(116)から前記圧力側(118)へ向かって水素分圧を段階的に高めるように構成されている、
請求項7又は8記載の装置(100)。
The compressor (104) includes at least one other membrane (108) having another first electrode (110) on the suction side and another second electrode (112) on the pressure side,
The another membrane (108) and the membrane (108) are arranged one after the other, and the hydrogen partial pressure is gradually increased from the suction side (116) toward the pressure side (118). Configured to enhance,
Apparatus (100) according to claim 7 or 8.
前記メンブレイン(108)はポリマー電解質メンブレイン(108)として構成されている、
請求項7から9までのいずれか1項記載の装置(100)。
The membrane (108) is configured as a polymer electrolyte membrane (108),
Device (100) according to any one of claims 7 to 9.
前記メンブレイン(108)は、前記外部種(120)を排出するための排出部を有する、
請求項7から10までのいずれか1項記載の装置(100)。
The membrane (108) has a discharge portion for discharging the external species (120).
Device (100) according to any one of claims 7 to 10.
前記装置は、さらに、前記水素(102)を前記圧力側(118)に蓄積するための圧力蓄積器(208)を備えている、
請求項7から11までのいずれか1項記載の装置(100)。
The apparatus further comprises a pressure accumulator (208) for accumulating the hydrogen (102) on the pressure side (118).
Device (100) according to any one of claims 7 to 11.
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